不同植被根系對(duì)河堤岸坡加固效果

(上海海防水利工程有限公司，上海 200940)

不同植被根系對(duì)河堤岸坡加固效果

余能海周雷王國(guó)林

(上海海防水利工程有限公司，上海 200940)

為分析不同植被根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響及對(duì)河堤岸坡加固效果的影響，本文對(duì)含香根草、百喜草、狗牙根、紫花苜蓿根系土體和裸地進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，并基于FLAC3D建立河堤岸坡模型，研究了不同植被加固條件下岸坡安全系數(shù)。結(jié)果表明：4種植被均能顯著增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度，且香根草增強(qiáng)效果最明顯，狗牙根增強(qiáng)效果最弱；植被根系對(duì)河堤岸坡加固效果明顯，不同類(lèi)型植被根系加固河堤安全系數(shù)為香根草>百喜草>紫花苜蓿>狗牙根>裸地。

植被根系；岸坡加固；效果

近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，大量土建項(xiàng)目上馬，然而在工程建設(shè)中造成了大量裸露的邊坡，裸露的邊坡常伴隨著嚴(yán)重的水土流失，降低了淺層邊坡的抗滑穩(wěn)定性[1-3]，采用植被對(duì)邊坡進(jìn)行加固，不僅能增大邊坡穩(wěn)定性，防止水土流失，而且對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)也有一定的積極作用[4-6]，因此，采用植被進(jìn)行護(hù)坡逐漸成為目前重要研究課題之一。

國(guó)內(nèi)外大量專(zhuān)家學(xué)者對(duì)不同植被根系土壤力學(xué)特性進(jìn)行了研究。劉秀萍等[7]研究了植被根系與黃土組成的復(fù)合體力學(xué)特性，研究了根系大小與分布對(duì)其強(qiáng)度特征的影響，結(jié)果表明：復(fù)合體抗剪強(qiáng)度特征符合莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，試驗(yàn)含水率范圍內(nèi)，隨含水率增大，復(fù)合體抗剪強(qiáng)度增大。Mattie等[8, 9]對(duì)根系加固土體的強(qiáng)度特征與土壤本身的力學(xué)特征和根系生物量間的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：根系加固土體強(qiáng)度特性與土體本身力學(xué)特性和根系生物量間均存在明顯的正比關(guān)系。周云艷等[10]對(duì)土壤強(qiáng)度特性與根系總長(zhǎng)、根系的根表面積、根重和根長(zhǎng)的關(guān)系進(jìn)行了研究。

植被護(hù)坡技術(shù)是指根據(jù)植被涵水固土的原理對(duì)淺表層邊坡進(jìn)行加固的方法，是多學(xué)科交叉融合的新型防護(hù)技術(shù)。上世紀(jì)60年代，日本率先將液壓噴播技術(shù)應(yīng)用于護(hù)坡工程中，此后又先后研究了纖維土綠化工植被護(hù)坡法和高次團(tuán)粒SF綠化工植被護(hù)坡法，推動(dòng)了植被護(hù)坡的發(fā)展[11, 12]。我國(guó)植被護(hù)坡技術(shù)起步較晚，目前植被護(hù)坡仍以鋪草皮等方法為主[13]，缺乏坡面下植被護(hù)坡效果的定量研究，難以對(duì)植被護(hù)坡技術(shù)進(jìn)行有效指導(dǎo)。本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，定量分析了4種不同植被根系土體抗剪強(qiáng)度特性以及對(duì)河堤邊坡穩(wěn)定性的影響，以期為植被護(hù)坡工程設(shè)計(jì)提供相關(guān)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為含香根草、百喜草、狗牙根和紫花苜蓿根系土體和裸地，試驗(yàn)區(qū)為亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫19.50℃，年平均降雨量1346mm，植被于溫室中育苗，待健壯后移至試驗(yàn)區(qū)，分別將香根草、百喜草、狗牙根和紫花苜蓿的種植土地編號(hào)為C1、C2、C3和C4，裸地對(duì)照組編號(hào)為C5，并將每個(gè)種植樣區(qū)劃分為3個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)尺寸為4m×4m，每種植被重復(fù)種植三次，植被株行距為30cm×30cm，培育期間定期將試驗(yàn)區(qū)內(nèi)雜草拔除，保證土體不受其他根系影響。植被培育八個(gè)月后，用環(huán)刀以株徑為中心自上而下每隔10cm取一個(gè)原狀樣，每個(gè)取樣點(diǎn)取三個(gè)樣，其離地表層的距離分別為0～2cm、10～12cm和20～22cm，環(huán)刀尺寸為直徑×高=31.80mm×20mm，試樣取好后用環(huán)刀盒封裝，避免土體發(fā)生擾動(dòng)。對(duì)取回的試樣進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)圍壓分別為100kPa、200kPa、300kPa和400kPa，試驗(yàn)剪切速率為0.036mm/min，試驗(yàn)剪切位移達(dá)到5mm時(shí)停止剪切。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

取應(yīng)變值15%為土體破壞抗剪強(qiáng)度，擬合抗剪強(qiáng)度與固結(jié)應(yīng)力關(guān)系曲線(xiàn)，得出不同植被根系土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)摩擦角、黏聚力(見(jiàn)表1)。

分析可知：隨土層深度增大，含植被根系土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力與內(nèi)摩擦角均減小，而裸地抗剪強(qiáng)度參數(shù)增大。這是由于隨地層深度增大，植被根系密度逐漸減小，對(duì)土體加固效果逐漸減小，而深度越大，上覆土重越大，土體越密實(shí)，抗剪強(qiáng)度參數(shù)越大。不同植被根系土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)均大于裸地抗剪強(qiáng)度參數(shù)，說(shuō)明植被根系有增強(qiáng)土體的作用，且香根草對(duì)土體抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)作用較明顯，而狗牙根對(duì)土體增強(qiáng)效果較弱。這是由于植被根系與土體結(jié)合作用(如顆粒表面摩擦力以及根系與顆粒間的嵌入作用)增大了土體的咬合力作用，進(jìn)而提高了土體顆粒的抗剪強(qiáng)度。

表1 不同植被類(lèi)型土壤抗剪強(qiáng)度參數(shù)

3 計(jì)算模型與參數(shù)

為分析不同植被根系對(duì)堤岸邊坡加固效果的影響，采用有限元軟件對(duì)不同堤岸邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行模擬(計(jì)算模型如圖1所示)，模型表層和底部的位移固定，左右兩側(cè)法向位移約束。河堤邊坡高為15m，計(jì)算植被加固土層厚度為20cm，計(jì)算統(tǒng)計(jì)該模型單元個(gè)數(shù)為3486，單元節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為4279。

強(qiáng)度折減法是邊坡工程中求取安全系數(shù)常用的方法之一，強(qiáng)度折減法的基本原理為：將巖土體材料的強(qiáng)度參數(shù)(黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ值)通過(guò)給定的折減系數(shù)R進(jìn)行折減，從而得到一組新的黏聚力c′和內(nèi)摩擦角φ′值，計(jì)算公式見(jiàn)式(1)和式(2)，并將折減后的參數(shù)重新代入進(jìn)行循環(huán)計(jì)算，當(dāng)邊坡破壞時(shí)，對(duì)應(yīng)的R即為其穩(wěn)定系數(shù)，即Fs=R。強(qiáng)度折減法的結(jié)果合理性與其破壞判斷標(biāo)準(zhǔn)的確定有關(guān)。目前，采用強(qiáng)度折減法判斷巖土體穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)主要有三種：其一為以數(shù)值計(jì)算不收斂作為判斷標(biāo)準(zhǔn)；其二為以滑面上塑性區(qū)貫通作為判斷標(biāo)準(zhǔn)；其三為以特征部位的位移產(chǎn)生突變作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。本文以不平衡力發(fā)展是否收斂作為破壞判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算模型采用莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度模型，植被根系加固土體強(qiáng)度參數(shù)取為表層20cm土體強(qiáng)度參數(shù)平均值(計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2)

(1)

(2)

圖1 計(jì)算模型

植被類(lèi)型內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力/kPa香根草23.840百喜草21.230狗牙根18.629紫花苜蓿19.724裸地13.218

4 計(jì)算結(jié)果與分析

不同植被根系加固河堤邊坡安全系數(shù)如圖2所示?？芍煌脖患庸毯拥踢吰掳踩禂?shù)均大于裸地，不同類(lèi)型植被根系加固河堤安全系數(shù)為香根草>百喜草>紫花苜蓿>狗牙根>裸地，與裸地相比，采用香根草、百喜草、狗牙根和紫花苜蓿植被加固的河堤邊坡安全系數(shù)依次提高了23.60%、16.50%、7.10%和11%，說(shuō)明植被根系對(duì)河堤有較好的加固效果。植被根系加固邊坡的機(jī)理為植被能夠?qū)ζ麦w進(jìn)行錨固，進(jìn)而增大土體的抗剪強(qiáng)度，能夠更好地抵抗邊坡的淺層滑動(dòng)和崩塌。此外，土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)越大，邊坡抵抗徑流破壞能力越強(qiáng)，邊坡土體越不容易發(fā)生水土流失現(xiàn)象。此次計(jì)算忽略了植被根系對(duì)水土保持的影響，計(jì)算結(jié)果偏于安全。

圖2 不同植被加固河堤邊坡安全系數(shù)

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)不同植被根系土體進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，分析了不同植被根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響，并基于強(qiáng)度折減法計(jì)算了不同植被根系加固河堤邊坡安全系數(shù)，分析了不同植被根系對(duì)河堤邊坡的加固效果。

主要結(jié)論如下：隨土層深度增大，含植被根系土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力與內(nèi)摩擦角均減小，而裸地抗剪強(qiáng)度參數(shù)增大；不同植被根系土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)均大于裸地抗剪強(qiáng)度參數(shù)，說(shuō)明植被根系有增強(qiáng)土體的作用，且香根草對(duì)土體抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)作用較明顯，而狗牙根對(duì)土體增強(qiáng)效果較弱；不同植被加固河堤邊坡安全系數(shù)均大于裸地，不同類(lèi)型植被根系加固河堤安全系數(shù)為香根草>百喜草>紫花苜蓿>狗牙根>裸地。

[1] 趙麗兵, 張寶貴, 蘇志珠. 草本植物根系增強(qiáng)土壤抗剪切強(qiáng)度的量化研究[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2008, 16(3): 718-722.

[2] Gyssels G, Poesen J. The importance of plant root characteristics in controlling concentrated flow erosion rates[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 2003, 28(4): 371-384.

[3] 熊燕梅, 夏漢平, 李志安, 等. 植物根系固坡抗蝕的效應(yīng)與機(jī)理研究進(jìn)展[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 18(4): 895-904.

[4] 柳春紅, 王海洋. 邊坡綠化及重慶地區(qū)常用的邊坡綠化植物[J]. 西南師范大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 32(5): 46-49.

[5] 朱海麗, 胡夏嵩, 毛小青, 等. 青藏高原黃土區(qū)護(hù)坡灌木植物根系力學(xué)特性研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2008, 27(S2): 3445-3452.

[6] 朱清科, 陳麗華, 張東升, 等. 貢嘎山森林生態(tài)系統(tǒng)根系固土力學(xué)機(jī)制研究[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 24(4): 64-67.

[7] 劉秀萍, 陳麗華, 宋維峰. 林木根系與黃土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 28(5): 67-72.

[8] Matti C, Bischetti G B, Gentile F. Biotechnical characteristics of root systems of typical Mediterranean species[J]. Plant and Soil, 2005, 278(1): 23-32.

[9] Bischetti G B, Chiaradia E A, Simonato T, et al. Root strength and root area ratio of forest species in Lombardy[J]. Plant and Soil, 2005, 278(1-2): 11-22.

[10] 周云艷, 陳建平, 楊倩. 植物根系固土護(hù)坡效應(yīng)的原位測(cè)定[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 32(6): 66-71.

[11] 張曉明, 王玉杰, 夏一平, 等. 重慶縉云山典型植被原狀土與重塑土抗剪強(qiáng)度研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2006, 22(11): 6-9.

[12] Fattet M, Fu Y, Ghestem M, et al. Effects of vegetation type on soil resistance to erosion: Relationship between aggregate stability and shear strength[J]. Catena, 2011, 87(1): 60-69.

[13] 張麗, 岳紹玉, 薛靜. 河流植被護(hù)坡的防護(hù)機(jī)理研究與分析[J]. 河南水利與南水北調(diào), 2017(1): 84-88.

ReinforcementEffectofRootSystemofDifferentVegetationonRiverLeveeBankSlope

YU Nenghai, ZHOU Lei, WANG Guolin

(ShanghaiHaifangHydraulicEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200940,China)

In the paper, direct shear tests are carried out on the root system soil containing vetiver, bahia grass, cynodon dactylon and alfalfa root as well asbare soil in order to analyze the influence of root system of different vegetation on soil shear strength parameter and the influence on river levee bank slope. River levee bank slope model is established on the basis of FLAC3D. The bank slope safety coefficient under different vegetation reinforcement conditions is studied. The results show that four vegetation categories can significantly enhance the soil shear strength,vetiver has the most prominent reinforcement effect, and cynodon dactylon has the weakest reinforcement effect. Vegetation root systems have prominent reinforcement effect on river levee bank slope. The safety coefficient of different vegetation root systems on river levee reinforcement isvetiver> bahia grass> alfalfa root> cynodon dactylon> bare land.

vegetation root system; bank slope reinforcement; effect

TV861

A

1673-8241(2017)09-0040-04

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.09.012